FR2532062A1 - Tube a fibres optiques ferme hermetiquement, son procede de fabrication et cable optique arme - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN CABLE ARME A FIBRES OPTIQUES, CONTENANT UN TUBE FERME HERMETIQUEMENT QUI RENFERME DES FIBRES. LE CABLE 10 CONTIENT UN TUBE CENTRAL 12 FORME DE DEUX SECTIONS SEMI-CYLINDRIQUES 20 SOUDEES LONGITUDINALEMENT L'UNE A L'AUTRE ET RENFERMANT HERMETIQUEMENT DES FIBRES OPTIQUES 14. LE CABLE OPTIQUE ARME PRESENTE UN ALLONGEMENT INELASTIQUE MINIMAL SOUS L'EFFET D'UNE TRACTION EXERCEE A TEMPERATURE ELEVEE, ET IL EST CAPABLE DE RESISTER A DES CONDITIONS AMBIANTES RUDES. DOMAINE D'APPLICATION : DIAGRAPHIE DE PUITS DE PETROLE ET DE GAZ.

Description

L'invention concerne les fibres optiques et les câ-

bles armés L'invention a trait plus particulièrement à des tubes fermés hermétiquement contenant des fibres optiques

et à des câbles armés à fibres optiques.

Des câbles électromécaniques classiques destinés à

des applications telles que les diagraphies de puits de pé-

trole comprennent des conducteurs métalliques isolés desti-

nés à la transmission de signaux électriques Les bandes

passantes de transmission de signaux de ces câbles sont li-

mitées à environ 100 k Hz sur des longueurs qui correspondent à des profondeurs typiques de puits de pétrole, à savoir 3 600 à 6 000 mètres La plus grande partie de l'information

que l'on peut obtenir à l'aide d'outils modernes de diagra-

phie ne peut être extraite du sondage d'un puits en raison

de la bande passante réduite des signaux qui est caractéris-

tique des câbles classiques actuels de diagraphie Par con-

séquent, il existe un besoin en câbles ayant des bandes

passantes de transmission de signaux, c'est-à-dire une capa-

cité, sensiblement plus grandes, et/ou de plus grandesfré-

quencesde transmission sur de grandes longueurs de câbles, sans répéteurs Des fibres optiques peuvent présenter des bandes passantes de transmission de signaux d'environ 10 OM Hz sur des longueurs atteignant environ 9 000 mètres Ceci est supérieur d'environ trois ordres de grandeur aux possibilités

des fils conducteurs isolés utilisés dans des câbles clas-

siques pour des applications dans des milieux rudes, par

exemple en diagraphie de puits.

Des fibres optiques en verre possèdent deux proprié-

tês rendant difficile leur incorporation satisfaisante dans

des câbles sollicités qui sont étirés en cours d'utilisa-

tion ou qui sont utilisés dans l'eau, en particulier à haute pression et/ou à haute température, comme c'est le cas dans un sondage de puits de pétrole Ces propriétés sont les dégradations dues à la fatigue statique et les pertes

par microflexion.

Les fibres en verre de silice présentent à leur sur-

face de petites fissures (microfissures) La profondeur de ces microfissures peut augmenter sous l'effet d'une réaction chimique accélérée par les contraintes, entre le verre de silice et l'humidité, cette réaction étant appelée fatigue statique La résistance à la rupture par traction de la

fibre de verre diminue sensiblement lorsque les microfis-

sures augmentent de profondeur Le verre est une matière élastique ayant un module de Young élevé Une déformation d'une fibre optique en verre engendre une contrainte de traction et a pour résultat une fatigue statique Ainsi,

des fibres optiques en verre ne conviennent pas à une utili-

sation sous déformation élevée (> 0,5 %) en présence d'humi-

dité, pendant de longues durées Aucune matière plastique

ne peut apporter une protection convenable, car l'eau dif-

fuse à travers toutes les matières plastiques, à un certain degré. La perte de lumière par de petites flexions de la fibre (pertes par microflexion) est décrite ci-après Les fibres optiques transmettent les signaux lumineux suivant le principe de la réflexion interne totale Ce principe repose sur une réflexion totale des rayons lumineux vers l'intérieur de la zone de l'âme à chaque fois qu'ils arrivent

à l'interface de l'âme et du revêtement de la fibre optique.

La réflexion interne totale ne peut se produire que lorsque l'angle d'incidence entre les rayons et l'interface de l'âme

et du revêtement est inférieur à une certaine valeur critique.

Une flexion d'une fibre optique provoque l'arrivée de la lu-

mière qui se propage dans l'âme de la fibre, sur l'interface

de l'âme et du revêtement sous des angles d'incidence supé-

rieurs à la valeur critique, et sa sortie de l'âme optique par réfraction et sa perte La quantité de lumière qui est perdue augmente lorsque le diamètre effectif de la flexion diminue Lorsque la flexion de la fibre optique est due à une déformation résultant de forces latérales locales, la diminution qui en résulte pour la force du signal (et la diminution de la longueur du câble pouvant être utilisée) est appelée perte par microflexion Lorsqu'une fibre optique est déformée par un manque d'homogénéité locale, par exemple une bosse de ses couches de revêtement, le diamètre effectif de la flexion ou du coude dépend de la contrainte locale à

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laquelle la fibre est soumise En général, la fibre flé-

chit à un diamètre effectif plus petit lorsque le niveau de contrainte qui lui est appliqué augmente Par conséquent, des niveaux de contrainteplus élevés ont pour résultat des niveaux de perte par microflexion plus élevés Les pertes par microflexion des fibres sont notablement réduites si

l'on applique d'abord sur les fibres un revêtement d'élasto-

mère mou tel que du caoutchouc siliconé, et si l'on en-

toure cette fibre amortie d'une gaine rigide pouvant suppor -

ter des forces extérieures Cependant, des matières plasti-

ques telles que le caoutchouc siliconé perdent de leur in-

tégrité dans des conditions rencontrées dans des milieux rudes tels que le fond d'un puits profond, c'est-à-dire lorsqu'elles sont soumises à de la saumure chaude, à des pressions atteignant 140 M Pa et des températures atteignant

2600 C.

Il est donc souhaitable de disposer d'un tube fermé

hermétiquement, contenant au moins une fibre optique,qui puis-

se être incorporé dans un câble de diagraphie de-puits Le

tube minimise alors la microflexiôn de la fibre et la dété-

rioration de la fibre par microfissures dues à l'humidité.

Une condition nécessaire à une diagraphie précise d'un sondage de puits est une connaissance précise de la

position de l'outil de diagraphie dans le sondage La posi-

tion de l'outil est définie par la longueur réelle du câble de diagraphie suspendu dans le sondage On peut déterminer la longueur du câble suspendu en connaissant la valeur de la longueur de câble non sollicité qui a été descendue dans

le puits, augmentée d'une valeur connue d'allongement dépen-

dant des caractéristiques de traction du câble et de la traction s'exerçant sur la longueur de câble suspendue La valeur de la longueur de câble sans contrainte ayant été

descendue dans le sondage peut-être mesurée avec précision.

Le profil de traction le long de la longueur de câble sus-

pendue peut être calculé avec précision Par conséquent, la longueur réelle ' du câble suspendu dans le puits peut être déterminée avec précision si l'allongement en fonction des

caractéristiques de traction du câble est connu avec pré-

cision et est répétitif.

Des câbles électromécaniques classiques pour diagra-

phie de puits peuvent être réalisés afin de supporter des

milieux difficiles, à température élevée, ainsi que des ni-

veaux élevés de déformation axiale tout en restant fonction- nels Plus particulièrement, par exemple, chaque élément conducteur d'un câble classique de diagraphie comprend un faisceau de fils de cuivre Ces fils de cuivre se déforment de façon inélastique sous une faible contrainte Lorsque le câble est étiré et relâché de façon alternée, le cuivre ne revient pas totalement dans son état initial et les fils de cuivre finissent par devenir cassants, par écrouissage, et par se rompre Cependant, même cette condition grave ne rend pas-nécessairement le câble inopérant, car une rupture d'un ou plusieurs fils, alors que les fils adjacents ne se

rompent pas, permet le passage du courant par les fils voi-

sins et le conducteur apparaît donc encore comme étant en-

tier et le câble reste fonctionnel Ainsi, des câbles clas-

siques de diagraphie peuvent supporter des déformations

inélastiques et -élastiques considérables tout -en restant fonctionnels.

Des câbles de diagraphie de puits comportent généralement deux couches de fils extérieurs d'armature en acier Des fils d'armature sont préformés et appliqués en

hélices de sens opposés pour empêcher le câble de se dérou-

-25 ler lorsqu'il supporte une charge suspendue librement Sept conducteurs de cuivre isolés peuvent' être disposés à L'in-> térieur de la gaine armée, à savoir six conducteurs enroulée en hélice autour d'un septième, généralement -en sens opposé à celui de l'hélice des fils d'acier de la couche d'armature intérieure Cependant, il n'existe pas de relation définie

entre l'hélice des conducteurs de cuivre et celle des arma-

tures intérieures, car ces conducteurs et fils sont posés au cours d'étapes séparées de fabrication et, habituellement, une couche d'enrobage en matière souple est disposée entre eux Le résultat de cette géométrie d'un câble classique est que l'interface entre les fils d'armature intérieure et les conducteurs isolés sousjacents consiste en un grand nombre

de points de croisement séparés par la matière souple d'en-

robage. Lorsqu'un câble classique de diagraphie de puits est

soumis à une traction à des températures élevées, il s'al-

longe d'une valeur qui ne peut pas être prévue avec préci-

sion Ceci est dé au fait que l'allongement comprend deux phases, l'une qui est linéaire et l'autre qui est fortement non linéaire et inélastique La phase inélastique est due

au fait que les fils d'armature déforment de façon inélas-

tique la couche sousjacente de matière souple d'enrobage et l'isolant des fils, en raison de contraintes locales très élevées aux points de croisement,et prennent un diamètre primitif plus petit La partie inélastique de l'allongement du câble ne peut pas être vraiment prévue ou répétée et, par conséquent, la position de la sonde de diagraphie n'est pas

connue avec précision.

Pour empêcher l'apparition d'une déformation inélas-

tique en cours d'utilisation, on soumet les câbles classiques de diagraphie, lors de leur fabrication, à un pré-étirage à chaud Lorsqu'elle est convenablement effectuée, l'opération

de pré-étirage à chaud donne un câble qui présente un al-

longement linéaire et élastique sous l'effet d'une traction.

L'opération de pré-étirage à chaud confère une déformation

permanente (inélastique) de 0,75 à 1,5 % à des câbles clas-

siques de diagraphie à 7 conducteurs Le pré-étirage à chaud d'un câble armé de conception classique, contenant une ou plusieurs fibres optiques logées dans son âme, laisse les fibres optiques en verre sous un allongement permanent de 0,75 à 1, 5 % Les fibres optiques logées dans des câbles soumis à ces niveaux élevés de déformation permanente se détériorent rapidement sous l'effet de la fatigue statique et/ou présentent des pertes par microflexion s'élevant à un niveau intolérable Il est évident que la technologie classique de pré-étirage ne peut être appliquée à des câbles armés à fibres optiques Il est donc très souhaitable de

disposer d'un câble optique armé à fibres éliminant ces dif-

ficultés et autres difficultés et permettant d'étendre la

technologie des transmissions par fibres optiques à des do-

maines à environnements rudes.

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un tube fermé hermétiquement autour d'une ou plusieurs fibres

optiques amorties ainsi que le produit obtenu par ce procé-

dé L'opération d'amortissement consiste à enduire la fibre optique d'une matière d'amortissement convenable telle qu'un élastomère La fabrication est conduite de manière que les fibres soient scellées dans le tube sans être étirées afin d'éviter l'introduction de déformations, de microflexion ou de microfissures favorisées par l'eau Le tube peut en outre être incorporé dans le câble selon l'invention Le câble et le procédé de fabrication minimisent la phase

inélastique de l'allongement du câble en réduisant l'apti-

tude à la déformation de l'âme Le faisceau central du câ-

ble comporte au moins deux couches intérieures, comprenant

l'armature intérieure, qui sont toronnées en une configu-

ration en "uni-commettage" de sens donné autour du tube central, fermé hermétiquement, qui contient au moins une

fibre amortie Une fibre optique amortie est une fibre op-

tique revêtue d'une matière d'amortissement convenable tel-

le qu'un élastomère Le tube est réalisé de manière que les fibres soient scellées hermétiquement dans ce tube, avec un

minimum de déformation et de microflexion dues aux opéra-

tions. Une configuration en "uni-commettage" est définie comme un faisceau de câbles dans lequel chaque élément est

en contact continu avec les éléments voisins les plus pro-

ches, et de même orientation que ces derniers Les sections

du faisceau central sont identiques en tout point de la lon-

gueur du câble, hormis une rotation autour de l'axe central.

La réalisation en "uni-commettage" répartit de façon conti-

nue les forces transversales le long des éléments se tou-

chant, au lieu de concentrer les forces aux points de croi-

sement, comme c'est le cas dans des couches d'éléments de câble formés en hélices de sens contraire, ou bien comme

c'est le cas de couches d'éléments à câblage unidirection-

nel, présentant des pas de commettage différents Le pas

de commettage du câble est long, à savoir de l'ordre d'en-

viron 88,9 mm pour un câble ayant un diamètre extérieur d'environ 12,7 mm Le "pas de commettage" est défini comme étant la distance mesurée le long du câble ou de l'axe d'hélice, parcourue par une spire hélico 5 dale complète de l'élément Le câble comporte au moins-une couche-d'armature extérieure qui est enroulée en hélice de sens opposé au- tour du faisceau central La couche d'armature extérieure

est de sens opposé à celui du faisceau central et elle équi-

libre sensiblement le couple de l'armature intérieure lors-

que le câble est soumis à une traction Les éléments des

couches sont durs et résistants à la déformation Ceci si-

gnifie que tous les éléments conducteurs contenus dans le câble sont des conducteurs métalliques simples, et non des

conducteurs multi-filaments.

Les couches du faisceau central sont fabri-

quées en une seule opération, avec la mime longueur et le même sens de commettage La couche d'armature extérieure, de sens opposé, est appliquée directement sur le faisceau central. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est une coupe transversale du

câble armé à fibres optiques selon l'invention.

La figure unique représente le câble optique armé à tube fermé hermétiquement selon l'invention Le câble

optique armé 10 à tube sera décrit comme présentant cer-

taines particularités telles que la taille globale, les

dimensions et les matières utilisées pour fabriquer un câ-

ble de diagraphie de puits, sans sortir du cadre de l'in-

vention Cependant, l'invention n'est pas limitée uniquement aux dimensions particulières ou aux matières particulières

mentionnées dans la description, ni aux seules applications

à des diagraphies de puits Le tube et/ou le câble décrits conviennent à toute application demandant des déformations minimales d'un câble en charge Le tube peut être utilisé dans toute application exigeant de protéger hermétiquement

une fibre optique.

Le câble optique armé 10 comporte une âme centrale 12 à tube fermé hermétiquement Ce tube peut être utilisé

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seul si l'application n'exige pas une armature ou des élé-

ments conducteurs Le tube 12 fermé hermétiquement présente un diamètre extérieur compris entre environ 2,79 et environ

3,05 mm 1 %, et un diamètre intérieur d'environ 1,52 mm.

Le tube 12 contient une ou plusieurs fibres optiques 14 Ces dernières peuvent être des fibres à mode simple ou à mode multiple, ou encore des mélanges de ces fibres Des fibres optiques convenables, portant un mince revêtement protecteur

en matière plastique à base acrylique, durcie aux ultra-

violets, sont produites par la firme Valtec Co,Massachusetts: E.U A Si le tube 12 fermé hermétiquement renferme plusieurs fibres optiques, ces dernières sont de préférence toronnées ensemble dans le même sens d'hélice que les éléments 22 et

les fils 24 de l'armature intérieure du faisceau central 30.

Par exemple, les trois fibres illustrées ont un sens de com-

mettage à droite et un pas de commettage de 88,9 mm (angle

de commettage de 1,2 O).

Les fibres revêtues sont entourées et enveloppées d'une matière 16 d'amortissement telle qu'un élastomère d'amortissement, par exemple des élastomères silicones et

autres Un autre élastomère ou tout autre matière convena-

ble 18 de remplissage est ajouté pour remplir partiellement

ou,comme représenté, totalement le tube 12 pendant la fabri-

cation du tube complet 12.

Le tube 12 est constitué de sections semi-cylindri-

ques 20 qui sont formées à l'avance par laminage ou étirage

d'un fil recuit Bien que deux sections 20 soient représen-

tées, le tube 10 peut être formé de tout nombre de sections.

Une épaisseur convenant à la paroi des deux sections est d'environ 0,686 mm + 0,051 mm Le laminage ou l'étirage des sections cylindriques provoque un écrouissage du métal avant

qu'il entoure la fibre Les sections cylindriques sont réa-

lisées en fil d'acier ou autre alliage pouvant être facul-

tativement durci par précipitation pour que l'on obtienne une limite élastique élevée par traitement thermique avant soudage Le durcissement par précipitation est défini comme un procédé de durcissement dans lequel un constituant d'une solution solide sursaturée précipite Ainsi, les limites

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élastiques du métal écroui peuvent être encore améliorées par durcissement par précipitation Des machines et des procédés classiques et convenables de laminage tels que ceux utilisés par la firme Shaped Wire Co, Illinois E U A, peuvent être mis -en oeuvre pour comprimer un fil afin de former les sections semi-cylindriques 20 qui constituent

le tube 18 Des exemples convenables de fil d'acier inoxy-

dable ou de toute autre matière convenable sont l'acier inn\\dable 17-7 PH produit par la firme Armco, un alliage non ferreux MP-35, produit par la firme Latrobe Steel Co, Latrobe, PA Les sections formées à partir des fils doivent avoir un effort de tension supérieur à environ 700 M Pa et de préférence supérieur à environ 1050 M Pa Si un effort de tension encore plus élevé est demandé, ces fils peuvent être durcis par précipitation pour atteindre un effort de

tension d'environ 1750 M Pa Ceci correspond à une déforma-

tion élastique supérieure à environ 0,85 La déformation élastique est définie comme la déformation maximale pouvant être appliquée sans déformation permanente sensible de l'éprouvette d'essai Ceci permet au tube de passer sur une poulie d'un diamètre d'environ 90 cm et même, de préférence, d'un diamètre de 60 cm ou moins, ou bien d'être enroulé sur un tambour de dévidoir de câble d'un diamètre de 90 cm et de préférence d'un diamètre de 60 cm ou moins, sous une

* 25 charge de travail, sans fléchir de façon inélastique.

Les sections 20 s'ajustent ensemble longitudinalement pour former le tube 12 Les soudures longitudinales ne sont soumises qu'à de petits efforts de cisaillement secondaires

lorsque le tube fléchit en passant sur une poulie ou un tam-

bour Les sections-20 sont serrées l'une contre l'autre et soudées par leurs bords jointifs en formant des soudures 21 de façon à renfermer hermétiquement les fibres 14 Pendant la fabrication du tube, les fibres toronnées et amorties sont disposées entre les sections cylindriques en même temps que ces dernières-sont assemblées avec un jeu suffisant pour

éviter tout pincement Le soudage est de préférence un sou-

dage au laser qui réalise une soudure propre, pouvant être limitée à un faible volume et qui ne traverse pas totalement la paroi et ne provoque donc pas un recuit de cette paroi sur toute son épaisseur, ce qui évite toute destruction des

fibres amorties Pour accroître la protection, le tube ache-

vé peut facultativement être revêtu d'une matière plastique dure et convenable, par exemple du difluorure de polyviny- lidène ("Kynar") ou une polyétheréthercétone ("PEEK"), ou bien il peut être galvanisé Ce revêtement facultatif est ajusté de façon que le tube fermé hermétiquement finalement

obtenu présente un diamètre extérieur d'environ 3,05 mm.

Une variante de la structure du tube comprend des sections présentant des extrémités en queue-d'aronde de

façon à pouvoir être ajustées l'une à l'autre Un tube mé-

tallique formé par laminage et soudé est disposé à l'exté-

rieur des sections cylindriques Le tube métallique est

soudé au laser le long de la soudure du tube formé par la-

minage, au moyen d'un laser convenable tel qu'un laser à

CO 52 Le tube est de préférence réalisé en une matière extré-

ment résistante à la corrosion, par exemple en alliage du

type "Inconel" Facultativement, la profondeur de la soudu-

re réalisée par laser pendant l'opération de soudage peut

être réglée afin que la soudure passe à travers le tube ma-

tallique extérieur et pénètre dans l'une des moitiés du tube intérieur Ceci renferme hermétiquement les fibres

optiques à l'intérieur du tube Une autre variante facul-

tative consiste à recouvrir le revêtement extérieur, par

immersion ou placage, d'une matière convenable qui résis-

te à la corrosion Le tube est également décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 408 971, déposée le 17 août 1982 sous le titre "Hermetically Sealed Optical Fiber", au nom de Gordon Gould, Robert Thompson et

Charles Soodak.

Dans la forme préférée de réalisation, l'espace des-

tiné au tube central 12 fermé hermétiquement est formé d'au moins six éléments 22, tels que des brins conducteurs,

disposés autour de l'âme centrale 12 avec un sens de com-

mettage à droite et un pas de commettage de 88,9 mm (angle de commettage de 9,80) Pour accroître le diamètre de l'âme centrale 12, un plus grand nombre de brins conducteurs, par exemple huit, comme représenté, sont utilisés pour

établir l'espace pour l'âme centrale 12 Les brins conduc-

teurs 22 doivent être réalisés en une matière qui minimise

la déformation et qui est capable de réaliser un verrouil-

lage mutuel avec l'armature intérieure 24 Des grains conducteurs convenables sont constitués d'un fil plein en

acier cuivré ayant un diamètre d'environ 1,024 mm 1 %.

Les brins conducteurs doivent avoir une conductivité mini-

male égale à 60 % du minimum de la norme "International

Annealed Cooper Standard (IACS), avec'une déformation élas-

tique d'environ 0,9 %, au minimum, à la limite convention-

nelle d'élasticité à 0,2 % Une matière satisfaisant ces critères est désignée "Copperweld" Le fil plein en acier cuivré est revêtu d'un isolant tel que du "Kynar" à un diamètre extérieur d'environ 1,803 mm Lé tube 12 fermé hermétiquement et les brins conducteurs 22 peuvent avoir

ensemble un diamètre extérieur global d'environ 6-,655 mm.

Les brins conducteurs 22 sont entourés d'au moins

deux fois plus de fils 24 d'armature intérieure Dans cet-

te forme préférée de réalisation, seize fils 24 d'armature intérieure sont de préférence réalisés en acier de qualité supérieure pour câbles de levage, étirés et galvanisés (AISI) ou en toute autre matière convenable à un diamètre d'environ 1,460 mm + 1 %, avec une résistance minimale à la traction d'environ 1708 M Pa, des torsions minimales ( 203,2 mmn) d'environ 39, et une adhérence de revêtement mise en évidence par un essai d'enroulement sur mandrin 3 D.

Les fils 24 de l'armature intérieure sont disposés de fa-

çon à faire partie du faisceau central 30, avec un sens de commettage à droite et un pas de commettage de 88,9 mm (angle de commettage de 15,50) Le faisceau central 30

présente un diamètre extérieur de 9,347 mm Il est impor-

tant que les seize fils 24 de l'armature intérieure soient

électrogalvanisés de façon à présenter une finition de sur-

face brillante et lisse, par exemple au moyen d'un revête-

ment de zinc d'au moins environ 61 grammes/m 2 Les fils

24 de l'armature intérieure s'étendent à proximité immédia-

te des conducteurs isolés et ils doivent donc réaliser une interface lisse pour transmettre les charges de compression

auxfils conducteurs lisses.

Une matière protectrice 26, convenant à l'environne-

ment prévu pour le câble 10, est appliquée pendant la fabri-

cation du faisceau central 30, à l'extérieur de l'armature

intérieure 24 Des matières convenant à un câble de diagra-

phie de puits sont des composés de remplissage à base de caoutchouc nitrile, et autres Les fils 24 de l'armature intérieure sont enroulés autour des brins conducteurs 22 comme illustré, afin de laisser la place pour huit éléments interstitiels 28 Ces huit éléments interstitiels 28 sont facultatifs et peuvent être constitués soit d'un lubrifiant 26 inhibiteur de corrosion, par exemple un composé du type "TMS 5878 ", produit par la firme Quaker Chemical Company, soit par des fils métalliques ou des conducteurs isolés,

ou encore des fibres optiques gainées Les éléments inters-

titiels 28 sont disposés dans le même sens de commettage

que les brins conducteurs 22 et que les fils 24 de l'arma-

ture intérieure Les éléments interstitiels 28 sont ciblés avec un sens de commettage à droite et un pas de commettage de 88,9 mm (angle decommettage de 12,50) Les éléments interstitiels 28 doivent avoir un diamètre extérieur maximal d'environ 0,711 min, un revêtement de zinc d'au moins environ ,5 g/mr 2, une résistance minimale à la traction d'environ 1757 M Pa, des torsions minimales ( 203,2 mm) d'environ 83, et une adhérence de revêtement telle que mise en évidence par

l'essai d'enroulement sur mandrin 2 D Si les éléments inter-

stitiels 28 sont utilisés pour déterminer le positionnement

des fils 24 de l'armature intérieure, ils doivent de pré-

férence être constitués de fils métalliques galvanisés, pleins et brillants Il est important que tous les éléments interstitiels 28 présentent une surface extérieure arrondie et lisse car ils sont disposés à proximité immédiate des brins conducteurs isolés et ils doivent offrir une surface lisse pour transmettre les charges de compression aux brins isolés.

Une caractéristique particulière du câble optique ar-

mé 10 est que les éléments du faisceau central 30 sont réa-

lisés aux mêmes tailles et au même sens de commettage, de sorte qu'ils s'imbriquent les uns dans les autres et qu'ils ne se croisent pas Une autre caractéristique particulière est que les brins conducteurs 22 et les fils 24 de l'arma-

ture intérieure sont assemblés au cours de la même opéra- tion de sorte que les éléments 22 et 24 reposent les uns sur les autres et ne se logent pas dans les gorges formées entre les brins conducteurs 22 Cette réalisation accroît la flexibilité du câble et réduit le frottement entre les

brins conducteurs 22 et les fils 24 de l'armature intérieu-

re Ces caractéristiques ont pour résultat une déformation

* minimale de l'interface entre les éléments et donc un al-

longement inélastique minimal du câble.

Au moins une couche constituée de fils d'armature extérieure entoure les fils 24 de l'armature intérieure et établit le diamètre extérieur du câble 10 La forme préférée de réalisation comporte 24 brins ou torons de fils 32 d'armature extérieure Ces fils 32 sont réalisés en fil

d'acier de qualité supérieure pour câbles de levage, gal-

vanisés (AISI), ou en toute autre matière convenable, ayant un diamètre d'environ 1,245 mm + 1 %, un revêtement minimal de zinc d'environ 122 g/M 2, selon l'essai de la norme ASTM A-90, une résistance minimale à la traction d'environ 1722

M Pa, selon l'essai de la norme ASTM E-81 des torsions mini-

males ( 203,2 mm) d'environ 47, selon l'essai de la norme

fédérale FED SPEC RR-W-410 ", et un revêtement dont l'adhé-

rence satisfait à la norme ASTM A-641, telle que déterminée à l'aide d'un mandrin 3 D Les fils 22 sont de préférence préformés et disposés avec un sens de commettage opposé à celui des éléments 22 et 24 Dans cet exemple, le sens de commettage des fils 32 de l'armature extérieure est à gauche et le pas de commettage est de 88,9 mm (angle de commettage de 20,50) Lorsque les fils 32 de l'armature

extérieure sont appliqués, le faisceau central 30 est re-

vêtu d'une matière 34 de lubrification et de résistance à la corrosion, par exemple du type "TMS 5878 " ou autre Les dimensions globales du câble optique 10 sont d'environ

11, 913 mm.

La fabrication du câble armé contenant le tube fermé hermétiquement consiste d'abord à former le tube en une

opération, puis à fabriquer le câble autour du tube, égale-

ment en une opération réalisée en ligne.

Le tube fermé hermétiquement, contenant les fibres optiques, peut être fabriqué par le procédé suivant Des fils d'acier inoxydable recuit ou de tout autre alliage non ferreux convenable sont laminés, au moyen de cylindres profilés, en sections cylindriques de façon qu'en passant

entre des cylindres de guidage, les sections forment un tu-

be ayant un diamètre interne suffisant pour contenir les fibres optiques sans les pincer Les sections laminées sont ensuite soumises à un durcissement par précipitation à une

température d'environ 4800 C Le tube est de préférence for-

mé uniquement de deux sections semi-cylindriques, car ce-

ci minimise le nombre de soudures Des sections laminées convenables peuvent être obtenues auprès de la firme Shaped Wire Co, St Charles, Illinois Les sections cylindriques peuvent être pressées l'une contre l'autre par des rouleaux presseurs classiques tels que ceux utilisés par la firme Laser Applications Inc, Baltimore, Md, avant et pendant le

soudage au laser Les fibres revêtues et enroulées en hé-

lices sont insérées entre les sections pendant que ces der-

nières sont serrées l'une contre l'autre et une quantité additionnelle d'élastomère est ajoutée pour y faire adhérer

les fibres avant le soudage.

Le soudage par laser est réalisé au moyen d'un laser à CO 2 industriel d'une puissance de 500 W, de la firme Control Laser Corp Le laser est focalisé à une largeur

d'environ 0,15 mm Le tube est soudé à une profondeur in-

férieure à l'épaisseur des sections Une profondeur d'envi-

ron 0,40 mm convient à la fabrication d'un tube extérieur

ayant un diamètre d'environ 2,79-3,05 millimètres Faculta-

tivement, les sections cylindriques peuvent être chauffées

à une température comprise entre 150 et 260 'C environ pen-

dant le soudage Le chauffage facilite l'opération de sou-

dage et a également pour résultat une contraction,pouvant atteindre environ 0,2 %, du tube lorsqu'il refroidit Ceci

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compense un étirement pouvant atteindre environ 0,2 % de la fibre sous l'effet de la dilatation thermique lorsque

le câble est descendu dans un forage présentant des tempé-

ratures pouvant atteindre environ 260 'C.

Les soudures résultant de l'opération de soudage sont

soumises à des contraintes, et un traitement thermique d'en-

viron 260 'C, appliqué pendant quelques heures, après le soudage, élimine ces contraintes sans recuire le tube durci par précipitation Il est impossible de soumettre le tube à un durcissement par précipitation une fois qu'il renferme la ou les fibres optiques, car un tel traitement provoque

une surchauffe et une destruction des polymères d'amortis-

sement Après le soudage, le tube peut être facultativement nickelé ou galvanisé pour résister à la corrosion, et il peut enfin être facultativement recouvert par extrusion

d'une matière plastique à haut point de fusion, par exem-

ple du type " 1 PEEK" ou "Kynar" pour minimiser la diffusion de la saumure à l'intérieur de toute piqûre restant après

le soudage et également pour protéger le métal de la cor-

rosion Les extrusions convenables sont produites par la

firme Berk Tek Co, Pennsylvanie.

Après la fabrication du tube 12, le faisceau central est formé au moyen d'une baie de bobines planétaires et

les fils 32 de l'armature extérieure sont appliqués direc-

tement sur le faisceau central 30 au moyen d'une baie tan-

dem de bobines planétaires Les fils 32 de l'armature exté-

rieure sont appliqués en sens opposé de manière que les couples exercés par les fils de l'armature intérieure et

par ceux de l'armature extérieure s'équilibrent sensible-

ment Un procédé convenable d'équilibrage des fils 32 et 34 des armatures extérieure et intérieure enroulés en

hélices de sens opposé est décrit dans le brevet des Etats-

Unis d'Amérique N O 4 317 000 Les machines fabriquant le câble selon l'invention sont connus dans la technique en

tant que machines de câblage planétaire Pour la fabrica-

tion du câble, on peut s'adresser à la firme Blake Wire and Cable Company, Torrence, Californie Il est évident que le câble peut également être réalisé au moyen d'une machine de câblage à bobineur de tube; cependant, les fils de l'armature extérieure doivent être appliqués au cours d'une

opération séparée.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au câble et au procédé décrit et représentés sans sortir du cadre de l'invention Par exemple, le câble

n'est pas limité à un diamètre, à un nombre de fibres op-

tiques et d'autres caractéristiques particulières Un envi-

ronnement différent ou une application de travail différen-

te, exigeant l'application au câble d'une charge plus im-

portante, peut demander un câble de plus grand diamètre,

comportant des brins conducteurs, des fils d'armature inté-

rieure ou des fils d'armature extérieure plus gros et/ou

plus nombreux De plus, le pas de commettage peut être aug-

menté en proportion directe avec le diamètre du câble En

outre, il est nécessaire que les brins conducteurs et l'ar-

mature intérieure soient réalisés en une seule opération de même sens d'hélice, et que l'armature intérieure soit disposée de façon à ne pas s'étendre dans les gorges formées par les brins conducteurs L'armature extérieure doit être enroulée en sens opposé à celui de l'armature intérieure et elle doit avoir une résistance à la-compression suffisante pour que

les couples des armatures intérieure et extérieure s'équi-

librent sensiblement.

Claims (24)

REVENDICATIONS

1 Tube à fibres optiques, fermé hermétiquement, ca-

ractérisé en ce qu'il comporte une âme intérieure( 12)compre-

nant une ou plusieurs fibres optiques amorties ( 14), et au moins deux sections métalliques cylindriques ( 2-0), s'ajustant l'une à l'autre autour de l'âme intérieure et formant un tube, ces sections métalliques étant reliées hermétiquement

l'une à l'autre pour former le tube et étant formées à l'a-

vance par laminage d'un fil métallique recuit.

2 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sections peuvent être soumises à un durcissement

par précipitation après qu'elles ont été formées par lami-

nage en sections cylindriques et avant qu'elles soient re-

liées l'une à l'autre par soudage au laser.

3 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sections sont réalisées à partir de fils en acier

inoxydable ou en alliage non ferreux.

4 Tube selon l'une quelconque des revendications 2

et 3, caractérisé en ce que les sections métalliques sont

reliées hermétiquement par des soudures longitudinales( 21).

Tube selon la revendication 3, caractérisé en ce que les sections sont réalisées de manière que les fils formés par laminage constituent un tube ayant un diamètre extérieur compris entre environ 2,79 et environ 3,05 mm et

ayant une épaisseur de paroi d'environ 0,686 mm.

6 Tube selon la revendication 4, caractérisé en ce

qu'il est constitué de deux sections.

7 Tube selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est en outre revêtu d'une couche de métal résistant

à la corrosion ou d'une matière plastique pour haute tempé-

rature, afin d'avoir un diamètre extérieur d'environ 3,05

mm + 0,025 mm.

8 Tube selon la revendication 4, caractérisé en ce

que ce tube, contenant les fibres, est chauffé à une tempé-

rature comprise entre environ 150 et 2600 C pendant que les

sections sont assemblées par soudage au laser.

9 Tube selon la revendication 4, caractérisé en ce que les sections sont pressées l'une contre l'autre et en

ce qu'un revêtement extérieur, constitué d'un tube métal-

ique:ormé par laminage, est réalisé autour des sections intérieures, ce tube métallique extérieur étant soudé à une

Proforneur supérieure à l'épaisseur de la paroi du tube mé-

tallique extérieur.

Tube selon l'une des revendication 5 et 7, caracté-

risé en ce que les fibres optiques sont des fibres optiques

à mode simple.

11 Tube selon l'une quelconque des revendications 1, 2,

3, 8, 9, 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins six éléments ( 22)enroulés en hélices autour du tube, dans un sens donné, au moins deux fois plus de fils ( 24) d'armature intérieure que d'éléments ( 22), enroulés autour

desdits éléments( 22),dans le même sens et dans une configu-

ration hélicoïdale à commettage unique, les éléments ( 22) et

les fils( 24)de l'armature intérieure étant appliqués simul-

tanément autour du tube de manière que les éléments et les fils de même sens et le tube forment un faisceau central

( 30),le tube comportant en outre plusieurs fils( 32) d'arma-

ture extérieure en contact avec les fils de l'armature in-

térieure et enroulés en hélice de sens opposé à celui des fils de l'armature intérieure afin que les couples exercés par les fils de l'armature intérieure et ceux exercés par

les fils de l'armature extérieure s'équilibrent sensible-

ment.

12 Tube selon la revendication 11, caractérisé en ce

que lesdits éléments( 22)sont des brins conducteurs consti-

tués de fils conducteurs d'acier cuivré.

13 Tube selon la revendication 12, caractérisé en ce que les fils de l'armature intérieure sont constitués de

fil d'acier galvanisé.

14 Tube selon la revendication 13, caractérisé en ce

que les brins conducteurs et les fils de l'armature inté-

rieure forment des espaces interstitiels qui sont occupés

par des fibres optiques gainées ou par des fils( 28)de rem-

plissage en acier galvanisé.

Tube selon la revendication 14, caractérisé en ce que les fils de l'armature extérieure sont des fils d'acier de qualité supérieure pour câbles de levage, galvanisés et préformés, et en ce que l'élément de l'âme centrale est

constitué d'un fil plein.

16 Tube selon la revendication 15, caractérisé en ce que les sections sont reliées l'une à l'autre par des soudures longitudinales( 21)et en ce que lesdits éléments

( 22) sont au nombre de huit.

17 Tube selon l'une quelconque des revendications 11,

14, 15 et 16, caractérisé en ce que l'âme centrale, les brins conducteurs et les fils de l'armature intérieure sont revêtus d'un composé de remplissage à base de caoutchouc nitrile.

18 Câble optique armé, caractérisé en ce qu'il com-

porte une âme centrale ( 12) constituée d'un tube fermé hermétiquement ayant un diamètre extérieur compris entre environ 2,79 et environ 3,05 mm, et un diamètre intérieur d'environ 1,52 mm, cette âme renfermant plusieurs fibres optiques ( 14) noyées dans un élastomère et étant formée de

deux sections métalliques cylindriques ( 20) jointes longi-

tudinalement autour des fibres et formant un tube, huit

brins conducteurs ( 22) étant enroulés autour de l'âme cen-

trale, avec un commettage de sens à droite, un pas de com-

mettage d'environ 88,9 mm et un diamètre de 1,803 mm afin que le diamètre extérieur de l'âme centrale et des brins + 25 conducteurs soit d'environ 6,655 de, le câble comportant

également seize fils ( 24) d'armature intérieure consti-

tués de fil d'acier galvanisé ayant un diamètre extérieur d'environ 1,473 mm, enroulés autour des brins conducteurs dans le même sens et au même pas de commettage que lesdits brins conducteurs, ces derniers et les fils de l'armature intérieure étant posés au cours de la même opération, ladite

âme centrale, les brins conducteurs et les fils de l'arma-

ture intérieure formant un faisceau central ( 30) qui pré-

sente un diamètre extérieur d'environ 9,347 mm, et'vingt-

quatre fils extérieurs ( 32) constitués de fils galvanisés, enroulés autour des seize fils, avec un sens de commettage

à gauche et un pas de commettage de 88,9 mm, ces vingt-

quatre fils ayant un diamètre d'environ 1,245 mm de manière -que le diamètre extérieur total du câble soit d'environ

11,913 nm.

19 Câble selon la revendication 18, caractérisé en

ce Suc le faisceau central est rempli d'un composé élasto-

mère. Câble selon la revendication 19, caractérisé en ce que les interstices formés entre les fils de l'armature intérieure et les fils de l'armature extérieure sont remplis de fils métalliques galvanisés pleins et brillants et/ou d'une matière ( 28) de lubrification et d'inhibition de la corrosion. 21 Câble selon la revendication 20, caractérisé en ce

que l'âme est en outre revêtue d'une couche de métal résis-

tant à la corrosion ou d'une matière plastique pour haute température jusqu'à un diamètre extérieur d'environ 3,05 mm

+ 0,051 mm.

22 Câble selon la revendication 21, caractérisé en ce

que l'âme contenant les fibres est chauffée à une tempéra-

ture comprise entre environ 150 et environ 2600 C pendant la jonction

des sections par soudage au laser.

23 Procédé de fabrication d'un tube fermé hermétique-

ment destiné à renfermer des fibres optiques, caractérisé en ce qu'il consiste: (a) à laminer au moins deux fils recuits pour réaliser des sections ( 20) pouvant être assemblées l'une à l'autre pour former un tube 'cylindrique ( 12) ayant un diamètre in térieur suffisant pour recevoir au moins une ou plusieurs fibres optiques amorties-( 14);

(b) à former un tube autour des fibres optiques amor-

ties à l'aide des sections de l'étape (a); et (c) à joindre hermétiquement lesdites sections pour

former le tube.

24 Procédé selon la revendication 23, caractérisé en

ce que la jonction est réalisée par soudage au laser.

25 Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce que les sections sont soumises à un durcissement par précipitation avant le soudage, afin d'accroître la limite

élastique des sections finies.

26 Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce que les fils recuits sont choisis entre de l'acier inoxydable et des alliages non ferreux à haute résistance

a la traction.

27 Procédé selon l'une des revendications 23 et 25,

caractérisé en ce qu'il consiste en outre à injecter un élastomère dans une section et sur les fibres amorties

avant de former le tube.

28 Procédé selon l'une des revendications 23 et 25,

caractérisé en ce qu'il consiste en outre à former un re-

vêtement de matière plastique résistant aux températures

élevées autour du tube fermé hermétiquement.

29 Procédé selon l'une quelconque des revendications

23, 24, 25, 26, 27 et 28, caractérisé en ce qu'il consiste

en outre à enrouler des éléments conducteurs ( 22) en héli-

ces autour du tube, dans un sens et avec un pas de commet-

tage donnés, à enrouler une couche constituée de fils ( 24) d'armature intérieure, dans le même sens que les éléments conducteurs, au même pas de commettage et en même temps

que lesdits éléments conducteurs, ces fils ( 24) étant en-

roulés en hélice autour des éléments conducteurs, et à fabriquer une couche constituée de fils ( 32) d'armature extérieure, de sens opposé à celui des fils de l'armature intérieure et à un pas de commettage tel que les couples des armatures intérieure et extérieure soient sensiblement

équilibrés lorsque le câble est soumis à une traction.

Procédé selon la revendication 29, caractérisé en

ce que la fabrication consiste en outre à disposer des élé-

ments ( 28) de câble dans l'espace interstitiel formé entre les éléments conducteurs et la couche de fils d'armature intérieure, en même temps que les éléments conducteurs et

la couche de fils d'armature intérieure sont formés.